(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角度センサ（１）用の歯車（３，４）であって、
前記歯車は複数の歯を有し、該複数の歯は前記歯車の周面に沿って配置されている、角度センサ用の歯車において、
前記歯車は完全に、磁化可能な材料から成っていて、
前記歯車に磁化（１１）が施されていて、該磁化（１１）は、前記複数の歯が配置されている縁部領域（１０）よりも前記歯車の中央領域（９）において強力であることを特徴とする、角度センサ用の歯車。
【請求項２】
前記歯車に端面側の磁化が施されている、請求項１記載の歯車。
【請求項３】
前記歯車の回動軸線に対して直交する平面で、前記歯車の中央領域においてほぼ均一である磁化が前記歯車に施されている、請求項１又は２記載の歯車。
【請求項４】
前記磁化可能な材料は、成形可能なマトリックス材料内に埋め込まれている磁化可能な粒子を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の歯車。
【請求項５】
前記磁化可能な材料はハードフェライトを含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の歯車。
【請求項６】
回動可能なボディ（２）の回動角を算出する角度センサ（１）であって、該角度センサは、
少なくとも１つの歯車（３，４）と、
磁場センサ（６）と、
を有していて、
前記回動可能なボディの回動が、回動軸線（１２）を中心とした前記歯車の回動をもたらすように、前記歯車は前記回動可能なボディと協働し、
前記歯車は、前記歯車の回動軸線に対して直交する平面において、ほぼ均一な磁場を生成するように形成されていて、
前記磁場センサは、前記歯車によって生成された磁場の配向を測定するように形成されていてかつ配置されている、
回動可能なボディの回動角を算出する角度センサにおいて、
前記歯車は完全に、磁化可能な材料から成っていて、
前記歯車は、請求項１から５までのいずれか１項記載の歯車として形成されていることを特徴とする、回動可能なボディの回動角を算出する角度センサ。
【請求項７】
角度センサ（１）用の歯車（３，４）を製造する方法であって、該方法は、
前記歯車全体を、磁化可能な材料から形成し、
前記歯車の複数の歯が配置されている縁部領域（１０）よりも、前記歯車の中央領域（９）において強力な磁化が前記歯車に施されているように、前記歯車を磁化する、
角度センサ用の歯車を製造する方法。
【請求項８】
前記歯車の磁化を、前記歯車が、該歯車の形成用に使用される型（２２）の内側に配置されている間に実施する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記磁化を、前記歯車の端面（８）に対して隣合って配置されている永久磁石（２３）及び／又は電磁石によって実施する、請求項７又は８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に自動車におけるステアリングコラムのステアリングの舵角を算出するための舵角センサとして使用することができる、回動可能なボディの回動角を算出するための角度センサに関する。さらに本発明は、上記角度センサ用の歯車及びこの歯車の製造方法に関する。
【０００２】
先行技術
回動可能なボディの角度を絶対的に、つまりこのボディが静止していても、測定するために設計されている角度センサが公知である。このような角度センサは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５０６９３８号明細書に記載されている。この構成において、回動可能なボディに、例えば車両のステアリングコラムに、回動可能なボディと共に、３６０°を超えて回動可能である第１の歯車が設けられている。この歯車に２つの測定歯車が係合している。この構成において測定歯車の歯の数は、上記歯車における歯よりも少なく、両測定歯車における歯の数は、例えば歯１つ分だけ異なっている。両測定歯車の測定された角度から、第１の歯車、ひいては回動可能なボディの角度を絶対的に測定することができる。
【０００３】
測定歯車の角度を決定することができるように、測定歯車は、従来の角度センサ内にいわゆる磁石ピル（Magnetpille）を有する。この磁石ピルは、磁化可能な材料、例えばＮｄＦｅＢ（ネオジム鉄ボロン）若しくは成形可能なＮｄＦｅＢ粒子が含有されているマトリックス材料から成っている。磁石ピルは測定歯車に不動に結合される。例えば磁石ピルは、歯車にクリップ結合することができる。択一的には、測定歯車全体の製造のために、磁石ピルをコアとして提供することができ、次いでこのコアを射出成形法で取り囲んで残りの測定歯車を形成する。
【０００４】
磁石ピルによって形成された磁場の配向は、測定歯車の端面に対して隣合って配置されている磁場センサによって測定することができる。この磁場配向から、各測定歯車の配向を推測することができ、両測定歯車の両配向を認識して最終的に回動可能なボディの配向若しくは回動角を推測することができる。
【０００５】
発明の開示
角度センサ、角度センサ用の歯車及びこの歯車の製造方法に対する需要が存在し得る。角度センサは単純に構成されているが、回動可能なボディの回動角を正確に算出することができる。
【０００６】
独立請求項の対象が、上記需要に対応することができる。有利な構成は、従属請求項において特定されている。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、例えば自動車舵角センサといった角度センサ用の測定歯車として使用することができる歯車が提案される。歯車は、この構成において、周面に沿って複数の歯を有している。本発明によれば、歯車全体は、磁化可能な材料から成っている。この構成において、歯車に、複数の歯が配置されている縁部領域においてよりも歯車の中央領域において強力な磁化が施されている。
【０００８】
本発明の第２の態様によれば、角度センサが提供される。この角度センサは、少なくとも１つの歯車又は好ましくは少なくとも２つの歯車を測定歯車として有している。さらに角度センサは、歯車に対して配設されている１つ又は複数の磁場センサを有する。この構成において、１つの歯車は、回動角が算出されることになる回動可能なボディと、この回動可能なボディの回動が歯車の回動軸線を中心とした回動をもたらすように協働する。この構成において歯車は、回動軸線に対して直交する平面において、ほぼ均一な磁場を生成するために構成されている。この磁場の方向は、磁場センサによって算出することができる。本発明によれば、歯車全体が、磁化可能な材料から成っている。
【０００９】
本発明の第３の態様によれば、角度センサ用の歯車の製造方法が提供される。この方法は、以下の方法ステップを有する。まず歯車全体は磁化可能な材料から、例えば射出成形又はプレス加工によりワンピースに製造される。次いで歯車の中央領域において、縁部領域よりも強力な磁化部を有するように歯車は磁化される。
【００１０】
以下に、本発明の態様若しくは構成の基となる思想及びアイデアを簡単に説明し、本発明に係る構成の特徴及び利点を記載する。
【００１１】
上述のように、磁性ピルが歯車に挿入されている角度センサ用の歯車の製造には、著しい作業上の手間が伴うことがあることが分かった。従来はまず磁化可能な材料からピルを、例えば射出成形法により製造していた。次いで、ピルによって形成された磁場が、ピルの表面に対して平行な平面で少なくとも中央領域において広範囲に亘って均一であるように、ピルは直径方向に磁化された。磁化工程は通常、射出成形により製造されたピルに施される。次いで磁化されたピルは、別個に製造された歯車ボディにクリップ結合されるか又は圧入される。択一的には、ピルは他の射出成形法のステップにおいて、歯車ボディと共にインサート成形される。
【００１２】
磁場センサによって測定することができる配向を有する磁場の起点となる歯車の製造を簡略化するために、磁石ピルを別途製造することを省略することが提案される。歯車が従来の複数の部材から成る構成の代わりに、歯車全体が磁化可能な材料から成るワンピースの構成でもって形成することができ、歯車を角度センサにおいて適切に使用することができるということが分かった。磁化可能な材料から成る歯車を１つの部材から形成することは、製造プロセスを著しく簡単にすることができる。
【００１３】
１つの部材から形成された歯車によって、十分な精度で磁場センサにより測定することができる配向を有する磁場を生成するために、歯車は中央領域において、縁部領域よりも強力に磁化されていることが望ましい。中央領域とは、この構成において歯車の回動軸線の近く、例えば歯元円直径の内側の領域であると理解することができる。この中央領域に隣合って、磁場センサが角度センサ内に配置されていてよい。歯車は従来の磁石ピルのように直径方向の磁化でもって均一に一貫して磁化されているのではなく、その代わりに、中央領域において、縁部領域よりも強力な磁化部を有するように磁化されていることにより、縁部領域に配置されている歯車の歯の磁化が、例えば歯車によって形成された磁場の均一性に不利な影響を与えるということを回避することができる。
【００１４】
歯車の配向を磁場センサによってより正確に算出することができるように、歯車は、歯車の回動軸線に対して直交する平面における中央領域において、実質的に均一な磁場を生成するようになっている。この場合「均一」とは、磁場線が平行に延在していることと理解される。「実質的に」とは、磁場の配向を、与えられた適用のために所望の正確性を持った磁場センサによって実施することができるように、形成された磁場が十分に均一であると、理解することができる。例えば、磁場線の平行度は、５°、好ましくは２°より小さいことが望ましい。
【００１５】
このことを達成するために、歯車に端面側の磁化がなされていてよい。このように磁化された歯車は、表面磁化されたとも云われる。以下でさらに詳細に説明するように、上記端面側の磁化を達成するためには、従来の直径方向での磁化の場合のように歯車全体は、均一な磁場にさらされない。この構成の代わりに、歯車は磁化可能な材料の磁化中に不均一な磁場にさらされる。この磁場は主として歯車の端面から歯車に進入し、その非均一性に基づいて、歯車が中央領域において縁部領域よりも強力に磁化されるということをもたらすことができる。端面側の磁化は、２極性の磁化として明示されていてよい。択一的には、４極性、６極性又は一般的に２ｎ極性（ｎ＝１，２，３，・・・）の磁化を使用することができる。
【００１６】
歯車を、例えば、磁化可能な粒子が成形可能なマトリックス材料内に埋め込まれている磁化可能な材料でもって形成することができる。この構成において、マトリックス材料は、例えば射出成形法において又はプレス加工により加工可能な材料であってよい。これにより、歯車を簡単に製造するという可能性が、単に１つの成形ステップにおいて達成することができる。
【００１７】
この構成において、磁化可能な粒子用の材料として、ハードフェライトが有利であることが分かった。ハードフェライトは廉価に調達することができ、好ましくは磁化することができる。
【００１８】
歯車を製造するために、歯車は射出成形又はプレス加工により形成することができる。この構成において、製造に使用される型において直接歯車を磁化することが有利であってよい。歯車は単に１回の成形プロセスでもって１つの部材から形成することができるので、製造プロセス全体が磁化を含めて、唯一の装置内において実施することができる。この構成において、例えば、射出成形材料の硬化中の歯車を通じての磁化は、完成して硬化された状態にある歯車を追加で磁化する場合よりも強力な磁場形成をもたらすことができるということを利用することができる。
【００１９】
この構成において、磁化は、歯車の端面に対して隣合って配置されている永久磁石及び／又は電磁石によって実施することができる。磁石の上記配置により、歯車の所望の端面側での磁化を簡単に形成することができる。特に磁化可能な材料にフェライトを使用する場合に、磁化可能な材料は、その簡単に磁化することができるという性質に基づき、廉価な永久磁石により十分に磁化することもでき、高価な電磁石を省略することができる。
【００２０】
本発明に対する思想は、角度センサ若しくはこの角度センサにおいて使用可能な複数の歯車のうち１つの歯車、及び歯車を製造する方法との関係において説明する。当業者にとっては、本発明の他の構成を導くためにも、個々に説明した特徴を種々異なって互いに組み合わせることができるということは自明である。
【００２１】
以下に、限定せずに設定したい本発明の実施の形態を、添付の図面を参照して説明する。図面は概略的なものにすぎず、寸法に関しては正確ではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る角度センサの平面図である。
【図２】本発明に係る角度センサの横断面図である。
【図３】端面側の２極性の磁化の例を見やすくする、本発明に係る歯車の横断面図である。
【図４】端面側の２極性の磁化の例を見やすくする、本発明に係る歯車の平面図である。
【図５】直径方向の磁化を見やすくした歯車を示す図である。
【図６】本発明に基づき歯車を製造するために使用することができる装置を示す図である。
【００２３】
本発明の実施の形態
図１は、本発明に係る角度センサ１を上から見た概略図である。例えば車両におけるステアリングコラムの軸といった回動可能なボディ５に、大きな歯車２が不動に取り付けられている。２つの小さな歯車３，４が、大きな歯車２に係合していて、大きな歯車２の運動時に一緒に回動する。歯の数は、両小さな歯車３，４においては少なくとも歯１つだけ異なる。小さな歯車３，４は全体的に、磁化可能な材料から形成されている。歯車３，４の一方の端面に対して平行に延びている磁場が、広範囲に亘って均一であるように磁化されている。
【００２４】
図１においても図２の横断面においても概略的に示されているように、歯車３，４の端面８上に夫々１つの磁場センサ６が配置されている。この磁場センサ６は、磁化された歯車３によって形成された磁場１１の配向を検出することに適している。この目的のために、磁束の影響下で直接的にその抵抗を変えるので「Ｘ磁気抵抗」と呼ばれる、例えばＸＭＲセンサを使用することができる。例えば、「巨大磁気抵抗」効果を利用するＧＭＲセンサ、又は「異方磁気抵抗」効果を利用するＡＭＲセンサを使用することができる。
【００２５】
こうして得られた、歯車３，４の配向に関する情報は、評価ユニット７に伝送することができる。この評価ユニット７において、測定された配向に基づきかつ２つの歯車３，４の異なる歯の数を認識して、両歯車３，４に接続されている大きな歯車２の回動角を完全に算出することができる。
【００２６】
図２に大まかに示されているように、歯車３によって形成された磁場１１は、磁場検出器６によって、歯車の中心領域９においてのみ検出される。中心領域９の外側、特に、歯が配置されている縁部領域１０においては、形成された磁場１１は測定されない。したがって角度センサ用の従来の測定歯車においては、歯車３の中央に磁化されたピルが配置されていて、歯車に不動に結合されていた。
【００２７】
本願において提案される、磁化可能な材料から全体的に成っている歯車３，４において、縁部領域１０の内側における強力な磁化は、磁場センサ６が歯車３，４の配向を測定することができる測定正確性に対して不都合な影響を与えることがあると見なされた。このような不都合な影響を最小限に抑えるために、磁化可能な材料から完全に成る歯車３，４において、縁部領域１０よりも著しく強力な磁化が中央領域にもたらされる。例えば、中央領域における磁場強度は、縁部領域１０における最大磁場強度よりも係数５〜１０だけ強力であってよい最大磁場強度を有することができる。
【００２８】
中央領域９に対して集中した磁場分布を達成するために、端面側で多極性に磁化されているとも、又は多極性に表面磁化されているとも云われ得るように、歯車３，４を磁化することが有利であることが分かった。図３，４には、上記磁化形式における、歯車３の断面図及び平面図が概略的に示されている。図３に示した横断面は、図４に示した線Ａ−Ａに沿って示すものである。図５は、これに対して、従来の直径方向の磁化形式を示している。図３，４に例示した２極性で端面側の磁化においては、界線１１により見やすくされた磁場が、歯車３の端面８から平歯車３の本体内に進入し、磁場の強度が適切に十分である場合に、平歯車内にある磁化可能な材料を磁化することができる。この実施の形態において、磁場１１は、歯車３の端面に隣接する永久磁石又は電磁石（図示せず）のＳ極ＳからＮ極Ｎへと延在している。図３に示したように、歯車３の平面に対して直交する平面において、磁場１１は著しく不均一であり、歯車３を主にその中央領域９において磁化する。これに対して、歯車３の端面８に対して平行な平面において、つまり図４に示すように歯車３の回動軸線１２に対して直交する平面において、磁場１１は極めて均一であり、つまり界線（ベクトル矢印）はほぼ平行である。歯車３全体の大きさが、例えば数センチメートルであってよいことにより、磁場１１は磁場センサ６によって、中央領域９の内側における小さな測定領域１３においてのみ検知される。この測定領域１３の内側において、形成された磁場１１は極めて均一であるので、歯車３の配向の正確な測定のために適している。
【００２９】
比較するという目的のためにのみ、図５に従来の直径方向の磁化を示した。磁化プロセス中に、均一な磁場１１′が、歯車３全体を貫通している。この実施の形態において、歯車３の全領域は、ほぼ同じ強さに磁化される。上記直径方向の磁化でもって、歯車３′によって形成された磁場１１′に基づく歯車３′の配向の測定は可能でないか、若しくは正確性を欠いてのみ可能である。例えば、通常類似している磁化パラメータにおいては、直径方向において磁化された歯車では、磁場センサの場所に、確実な角度測定には十分でない磁束密度しか達成できなかった一方で、表面磁化若しくは端面側の磁化では、確実な角度測定に十分である束密度を達成することができるということが分かった。
【００３０】
図６は、歯車３の本発明に係る製造のために使用することができる装置２１の横断面を示す。極めて概略的に示すように、装置２１は２つの部分から成る型２２を有している。この型２２は切欠き２４を有し、この切欠き２４内において歯車３を射出成形法で製造することができる。このために、液状又は粘性の状態にある、射出成形可能で磁化可能な材料が、引き続き切欠き２４において硬化され、最終的に歯車３を形成するために切欠き２４内に供給される。択一的に歯車３は、プレス加工によって成形することもできる。
【００３１】
磁化可能な材料として、この実施の形態においては、通常、プラスチックボンド磁石の製造時に使用されるような、磁性粉末とプラスチック粒とから成る混合物を使用することができる。磁化可能な小さな粒子を含有する磁石粉末は、液状化及びこれに続くプラスチック粒の再硬化後に、プラスチックマトリックス内において均一に分布されてよい。磁石粉末には、特にハードフェライト、例えばＤＩＮ  ＩＥＣ６０４０４−８−１によるハードフェライト１６／２１ｐから成る粉末を使用することができる。この磁石粉末は、比較的廉価である。択一的には、従来の磁石ピルの製造時に使用されるように、ＮｄＦｅＢから成る磁石粉末を使用することもできる。この磁石粉末は、確かに基本的に強磁化することができるが、ハードフェライトよりも著しく高価でもありかつ磁化もしづらい。
【００３２】
歯車３を射出成形工程において既に磁化することができるように、装置２１内に付加的に永久磁石２３が組み込まれている。永久磁石２３は、図３，４について上述したような磁場１１を形成する。このために、永久磁石２３は、歯車３が形成される切欠きに隣接している。こうして、この材料がまだ硬化させられていない限りは、磁場１１は歯車３を形成するために使用される磁化可能な材料に既に影響を与えることができる。磁場１１は、通常の射出成形法において、例えば１０〜２０秒続くことがある全硬化工程中に作用することがある。こうして、歯車３に形成された磁化部は、既に完全に硬化した歯車を追加で磁化する場合よりも、強力でかつ安定的であり得ることが分かった。したがって、ハードフィライトは一般的に、ＮｄＦｅＢよりも少ししか強力に磁化することができないにもかかわらず、改良された上記磁化作用に基づき歯車３にハードフェライトを含む材料を使用することもできる。付加的に、ハードフェライトは、磁場強度がＮｄＦｅＢよりも弱い磁場強度であっても再磁化することができるので、一般的に電磁石と比べて比較的弱い磁場強度を提供することがある永久磁石を、磁化工程に使用することもできる、ということも分かった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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